計算機操作系統(tǒng)的基本概念

時間：2024-10-21 13:28:44 計算機等級我要投稿

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計算機操作系統(tǒng)的基本概念

　　操作系統(tǒng)是管理和控制計算機硬件與軟件資源的計算機程序，是直接運行在“裸機”上的最基本的系統(tǒng)軟件，任何其他軟件都必須在操作系統(tǒng)的支持下才能運行。下面是小編整理的計算機操作系統(tǒng)的基本概念，希望大家認真閱讀！

　　1、操作系統(tǒng)做什么

　　注：計算機系統(tǒng)結構作為從程序設計者角度所看到的計算機屬性，在計算機系統(tǒng)的層次結構中處于機器語言級;而計算機組織作為計算機系統(tǒng)結構的邏輯實現和物理實現，其任務就是圍繞提高性能價格比的目標，實現計算機在機器指令級的功能和特性。研究和建立各功能部件間的相互連接和相互作用，完成各個功能部件內部的邏輯設計等是邏輯實現的內容;把邏輯設計深化到元件、器件級，則是物理實現的內容。

　　計算機系統(tǒng)可以大致分為四個組成部分：計算機硬件、操作系統(tǒng)、系統(tǒng)程序與應用程序和用戶。

　　硬件為系統(tǒng)提供基本的計算資源，應用程序規(guī)定了用戶按何種方式使用這些資源，操作系統(tǒng)控制和協(xié)調各用戶的應用程序對硬件的使用。

　　從兩個視角探索操作系統(tǒng)：用戶視角和系統(tǒng)視角。

　　A、用戶視角：

　　對于PC用戶，系統(tǒng)設計是為了讓單個用戶單獨使用其資源，其目的是優(yōu)化用戶所進行的工作。對于這種情況，操作系統(tǒng)的設計目的是為了用戶使用方便，性能是次要的，而且不在乎資源使用率。

　　對于大型機用戶，操作系統(tǒng)設計為資源使用做了優(yōu)化：確保所有的CPU時間、內存和I/O都得到充分使用，并且確保沒有用戶使用超出其權限以外的資源。

　　對于工作站用戶，操作系統(tǒng)的設計目的是個人使用性能和資源使用率的折中。

　　對于手持計算機用戶，方便個人使用，最大化利用電池能源是操作系統(tǒng)設計的要點。

　　B、系統(tǒng)視角：

　　從系統(tǒng)視角，操作系統(tǒng)相當于資源分配器。操作系統(tǒng)管理CPU時間、內存空間等系統(tǒng)資源，在面對許多甚至沖突的資源請求，操作系統(tǒng)必須決定如何為每個程序和用戶分配資源，以便計算機系統(tǒng)能有效而公平的運行。

　　2、計算機系統(tǒng)組織

　　計算機通過運算器、存儲器、控制器、輸入輸出子系統(tǒng)等主要功能部件的相互連接和相互作用，借以實現機器指令級的各種功能和特性。從最基本的功能和作用原理來說，計算機是在控制器的全面控制下，接收經數字化編碼的輸入信息(程序和數據)，把它存放在存儲器中，根據程序的要求對數據進行快速運算，產生結果數據輸出。因此，可以把運算器、存儲器、控制器、輸入輸出子系統(tǒng)看成是一臺計算機的邏輯組成中最基本的功能部件。

　　存儲設備層次(按總線速率由高到低)：

　　寄存器——高速緩存(Cache)——主存——磁盤——光盤——磁帶

　　3、計算機系統(tǒng)體系結構

　　通過采用的通用處理器的數量來分類。

　　A、單處理器系統(tǒng)

　　在單處理器系統(tǒng)中，有一個主CPU能夠執(zhí)行一個通用指令集，包括來自用戶進程的指令。

　　B、多處理器系統(tǒng)

　　多處理器系統(tǒng)的優(yōu)點：

　　增加吞吐量;規(guī)模經濟;增加可靠性。

　　分類：

　　非對稱多處理器(asymmetric multiprocessing)系統(tǒng)——主從關系;

　　對稱多處理器(symmetric multiprocessing)系統(tǒng)——對等關系。

　　C、集群系統(tǒng)

　　集群計算機共享存儲并通過局域網連接或更快的內部連接。

　　分類：

　　非對稱集群：一部分機器處于熱備份模式，其余的機器運行應用程序。

　　對稱集群：兩臺或多個主機都運行程序，互相監(jiān)視。

　　4、操作系統(tǒng)結構

　　操作系統(tǒng)理論研究者有時把操作系統(tǒng)分成四大部分：

　　驅動程序：最底層的、直接控制和監(jiān)視各類硬件的部分，它們的職責是隱藏硬件的具體細節(jié)，并向其他部分提供一個抽象的、通用的接口。

　　內核：操作系統(tǒng)內核部分，通常運行在最高特權級，負責提供基礎性、結構性的功能。

　　接口庫：是一系列特殊的程序庫，它們職責在于把系統(tǒng)所提供的基本服務包裝成應用程序所能夠使用的編程接口(API)，是最靠近應用程序的部分。例如，GNU C運行期庫就屬于此類，它把各種操作系統(tǒng)的內部編程接口包裝成ANSI C和POSIX編程接口的形式。

　　外圍：是指操作系統(tǒng)中除以上三類以外的所有其他部分，通常是用于提供特定高級服務的部件。例如，在微內核結構中，大部分系統(tǒng)服務，以及UNIX/Linux中各種守護進程都通常被劃歸此列。

　　在這里，需要介紹一些關于內核的知識。

　　內核是操作系統(tǒng)最核心最基礎的構件，內核結構往往對操作系統(tǒng)的外部特性以及應用領域有著一定程度的影響。

　　內核的結構可以分為單內核、微內核、混合內核、外內核等。

　　單內核(Monolithic kernel)，又稱為宏內核。此架構的特性是整個核心程序都是以核心空間(Kernel Space)的身份及監(jiān)管者模式(Supervisor Mode)來運行(宏內核被實現為運行在單一地址空間的單一的進程，核心提供的所有服務，都以特權模式，在這個大型的核心地址空間中運作，這個地址空間被稱為核心空間(kernel space))。相對于其他類型的操作系統(tǒng)架構，如微核心架構或混核心架構等，這些核心會定義出一個高級的虛擬接口，由該接口來涵蓋描述整個電腦硬件，這些描述會集合成一組硬件描述用詞，有時還會附加一些系統(tǒng)調用，如此可以用一個或多個模塊來實現各種操作系統(tǒng)服務，如進程管理、共時(Concurrency)控制、存儲器管理等。

　　微內核(Microkernel)，又稱為微核心。微內核結構是1980年代產生出來的較新的內核結構，強調結構性部件與功能性部件的分離。微核心的設計理念，是將系統(tǒng)服務的實現，與系統(tǒng)的基本操作規(guī)則區(qū)分開來。它實現的方式，是將核心功能模塊化，劃分成幾個獨立的進程，各自運行，這些進程被稱為服務器(service)。所有的服務器進程，都運行在不同的地址空間。只有需要絕對特權的進程，才能在具特權的運行模式下運行，其余的進程則在用戶空間運行。

　　混合內核(Hybrid kernel)像微內核結構，只不過它的組件更多的在核心態(tài)中運行，以獲得更快的執(zhí)行速度。混合內核，一種操作系統(tǒng)內核架構，結合整塊性核心與單核心兩種設計方法。它的架構實作方式接近于整塊性核心。最有名的混合核心為Windows NT核心與XNU。

　　外內核(Exokernel)的設計理念是盡可能的減少軟件的抽象化，這使得開發(fā)者可以專注于硬件的抽象化。外核心的設計極為簡化，它的目標是在于同時簡化傳統(tǒng)微內核的訊息傳遞機制，以及整塊性核心的軟件抽象層。外核的目標就是讓應用程序直接請求一塊特定的物理空間，一塊特定的磁盤塊等等。系統(tǒng)本身只保證被請求的資源當前是空閑的，應用程序就允許直接存取它。

　　在眾多常用操作系統(tǒng)之中，除了QNX和基于Mach的UNIX等個別系統(tǒng)外，幾乎全部采用單內核結構，例如大部分的Unix、Linux，以及Windows(微軟聲稱Windows NT是基于改良的微內核架構的，盡管理論界對此存有異議。

　　5、操作系統(tǒng)操作

　　*雙重模式操作*：

　　為了確保操作系統(tǒng)地正常執(zhí)行，必須區(qū)分操作系統(tǒng)代碼和用戶定義代碼的執(zhí)行。許多操作系統(tǒng)所采取的方法是提供硬件支持以允許區(qū)分各種執(zhí)行模式。

　　至少需要兩種獨立的操作模式：用戶模式(user mode)和監(jiān)督程序模式(monitor mode)(也稱為管理模式(supervisor mode)、系統(tǒng)模式(system mode)或特權模式(privileged mode))。在計算機硬件中增加一個稱為模式位(mode bit)的位以表示當前模式：監(jiān)督程序模式(0)和用戶模式(1)。有了模式位，就可以區(qū)分操作系統(tǒng)所執(zhí)行的任務和用戶所執(zhí)行的任務。

　　系統(tǒng)引導時，硬件開始處于內核模式。接著，裝入操作系統(tǒng)，開始在用戶模式下執(zhí)行用戶進程。一旦出現陷阱或中斷，硬件會從用戶模式切換到內核模式。因此，只要操作系統(tǒng)獲得了對計算機的控制，它就處于內核模式。系統(tǒng)在將控制交還給用戶程序時會切換到用戶模式。

　　雙重模式操作提高了保護操作系統(tǒng)和用戶程序不受錯誤用戶程序影響的手段。其實現為：將能引起損害的機器指令作為特權指令。如果在用戶模式下試圖執(zhí)行特權指令，那么硬件并不執(zhí)行該指令，而是認為該指令非法，并將其以陷阱的形式通知操作系統(tǒng)。

　　系統(tǒng)調用為用戶程序請求操作系統(tǒng)代表用戶程序完成預留給操作系統(tǒng)的任務提供了方法。系統(tǒng)調用通常采用陷阱到中斷向量中的一個指定位置的方式。當系統(tǒng)調用被執(zhí)行時，硬件會將它作為軟件中斷�？刂茩鄷ㄟ^中斷向量轉交到操作系統(tǒng)的中斷處理程序，模式位設置成內核模式。系統(tǒng)調用服務程序是操作系統(tǒng)的一部分。內核檢查中斷指令以確定發(fā)生了什么系統(tǒng)調用;參數表示用戶程序請求什么類型的服務。請求所需要的其他信息可通過寄存器、堆�；騼却鎭韨鬟f。內核檢驗參數是否正確和合法，再執(zhí)行請求，然后將控制返回到系統(tǒng)調用之后的指令。

　　6、進程管理

　　進程是系統(tǒng)工作的單元。系統(tǒng)由多個進程組成，其中一些是操作系統(tǒng)進程(執(zhí)行系統(tǒng)代碼)，其余的是用戶進程(執(zhí)行用戶代碼)。所有這些進程可以潛在地并發(fā)執(zhí)行，如通過在單CPU上采用CPU復用來實現。

　　操作系統(tǒng)負責下述與進程管理相關的活動：

　　*創(chuàng)建和刪除用戶進程和系統(tǒng)進程;

　　*掛起和重啟進程;

　　*提供進程同步機制;

　　*提供進程通信機制;

　　*提供死鎖處理機制。

　　7、內存管理

　　內存是現代計算機系統(tǒng)操作的中心。內存通常是CPU所能直接尋址和訪問的唯一大容量存儲器。

　　操作系統(tǒng)負責下列有關內存管理的活動：

　　*記錄內存的哪部分正在被使用及被誰使用;

　　*當有內存空間是，決定哪些進程可以裝入內存;

　　*根據需要分配和釋放內存空間。

　　8、存儲管理

　　操作系統(tǒng)對存儲設備上的物理屬性進行了抽象，定義了邏輯存儲單元，即文件。操作系統(tǒng)將文件映射到物理介質上，并通過這些物理介質來訪問這些文件。

　　A、文件系統(tǒng)管理

　　文件管理是操作系統(tǒng)最為常見的組成部分。文件是由其創(chuàng)建者定義的一組相關信息的集合。通常，文件表示程序(源程序和目標程序)和數據。

　　操作系統(tǒng)負責下列有關文件管理的活動：

　　*創(chuàng)建和刪除文件;

　　*創(chuàng)建和刪除目錄來組織文件;

　　*提供操作文件和目錄的原語;

　　*將文件映射到二級存儲上;

　　*在穩(wěn)定介質上備份文件。

　　B、大容量存儲器管理

　　絕大多數現代計算機系統(tǒng)都采用硬盤作為主要非易失存儲介質來存儲程序和數據。許多程序都存儲在硬盤上，要執(zhí)行時才調入內存，在執(zhí)行時將硬盤作為處理的來源地和目的地。因此，硬盤的適當管理對計算機系統(tǒng)尤為重要。

　　操作系統(tǒng)負責下列有關硬盤管理的活動：

　　*空閑空間管理;

　　*存儲空間分配;

　　*硬盤調度。

　　C、高速緩存

　　高速緩沖存儲器是存在于主存與CPU之間的一級存儲器，由靜態(tài)存儲芯片(SRAM)組成，容量比較小但速度比主存高得多，接近于CPU的速度。硬件高速緩存基于著名的局部性原理，該原理既適用于程序結構也適用于數據結構。在有高速緩沖存儲器的計算機系統(tǒng)中，中央處理器存取主存儲器的地址劃分為行號、列號和組內地址三個字段。于是，主存儲器就在邏輯上劃分為若干行;每行劃分為若干的存儲單元組;每組包含幾個或幾十個字。高速存儲器也相應地劃分為行和列的存儲單元組。二者的列數相同，組的大小也相同，但高速存儲器的行數卻比主存儲器的行數少得多。

　　高速緩存主要由三大部分組成：

　　*Cache存儲體：存放由主存調入的指令與數據塊。

　　*地址轉換部件：建立目錄表以實現主存地址到緩存地址的轉換。

　　*替換部件：在緩存已滿時按一定策略進行數據塊替換，并修改地址轉換部件。

　　操作系統(tǒng)執(zhí)行高速緩存管理，對高速緩存大小和置換策略的仔細選擇可以極大提高性能。

　　D、I/O子系統(tǒng)

　　I/O子系統(tǒng)包括如下幾個部分：

　　*一個包括緩沖、高速緩存和假脫機的內存管理部分;

　　*通用設備驅動器接口;

　　*特定硬件設備的驅動程序。

　　9、保護和安全

　　保護是一種控制進程或用戶對計算機資源的訪問的機制。這個機制必須為強加控制提供一種規(guī)格說明方法和一種強制執(zhí)行方法。

　　安全的主要工作是防止系統(tǒng)不受外部或內部攻擊。這些攻擊范圍很廣，包括病毒和蠕蟲、拒絕服務攻擊、身份偷竊、服務偷竊。

　　10、分布式系統(tǒng)

　　分布式系統(tǒng)是將一組物理上分開來的、各種可能的異構的計算機系統(tǒng)通過網絡連接在一起，為用戶提供系統(tǒng)所維護的各種資源的計算機的集合。

　　分布式系統(tǒng)(distributed system)是建立在網絡之上的軟件系統(tǒng)。正是因為軟件的特性，所以分布式系統(tǒng)具有高度的內聚性和透明性。因此，網絡和分布式系統(tǒng)之間的區(qū)別更多的在于高層軟件(特別是操作系統(tǒng))，而不是硬件。內聚性是指每一個數據庫分布節(jié)點高度自治，有本地的數據庫管理系統(tǒng)。透明性是指每一個數據庫分布節(jié)點對用戶的應用來說都是透明的，看不出是本地還是遠程。

　　網絡操作系統(tǒng)(Network Operating System)提供跨網絡的文件共享、包括允許不同計算機上的進程進行消息交換的通信方法等功能。

　　11、專用系統(tǒng)

　　*實時嵌入式系統(tǒng)

　　*多媒體系統(tǒng)

　　*手持系統(tǒng)

　　12、計算環(huán)境

　　*傳統(tǒng)計算

　　*客戶機-服務器計算

　　*對等計算

　　*基于Web的計算

　　拓展：計算機三級考試網絡操作系統(tǒng)基本概念

　　1.單機操作系統(tǒng)